賴祥華，邵漢東，蔡輝華

（揚帆船舶設計研究院，浙江舟山 316100）

0 引言

海洋運輸是國際貿易的主要運輸方式，國際貿易總運量的2/3及我國進出口貨物的90%以上都是通過船舶運輸完成。大量船舶的CO2排放問題不加以控制勢必會造成環(huán)境危害，EEDI規(guī)則已納入MARPOL附則VI并于2013年1月1日正式生效，盡管大多數新船比較容易滿足 IMO當前設定的基線標準，隨著IMO對能效設計指數EEDI認識越來越深刻，計算方法也日趨完善，為了滿足不斷提高的 EEDI標準，業(yè)內已興起設計和建造更高 EEDI標準的船舶[1]。另外，面對世界經濟一體化，船東也很需要通過節(jié)能減排來提高經濟性。為得到更小的EEDI能效指數，為了取得較小的油耗，業(yè)內更加注重對船舶線型的優(yōu)化，更加注重節(jié)能裝置的開發(fā)和使用，而對船舶在營運中受風面積的分析與計算也將越來越受到業(yè)界的重視。本文以一條出口德國的1 100 TEU集裝箱船為例，通過CFD手段來分析在一定風速與航速工況下，甲板上不同載箱布置，風載荷產生不同的載荷對船舶航速的影響。

1 船舶風載荷計算方法

在實際船舶航行中，受大氣環(huán)流影響等因素，風載荷時大時小，風向在一定范圍內波動。為了便于研究與分析，可以取風載荷平均大小與平均方向作用于船舶上。圖1為船舶受到風載荷作用時的受力示意圖。

圖1 風載荷受力示意圖

風載荷計算公式[2]為

式中，FX為迎面風，沿船長方向風載荷；FY為橫向風，沿船寬方向風載荷；N為艏搖力矩；Vr為相對風速；L為總長；CX、CY為縱向、橫向風載荷系數；CN為艏搖力矩系數；AT為水線以上橫剖面正投影面積，AL為水線以上縱向側投影面積。

風對船舶的繞流計算的方法通常有規(guī)范法、經驗公式法和數值計算法。日本船級社及海事協(xié)會是基于風洞試驗模型計算結果提出風載荷的計算方法，是目前計算船舶風載荷較為可靠的方法[3]。經驗法常用的有Isherwood法和Hughes法等。數值計算法是基于計算流體力學兼顧理論性和實踐性，對控制方程所規(guī)定的區(qū)域進行區(qū)域離散，從而轉變?yōu)樵诟骶W格點或子區(qū)域上定義的代數方程組，然后用線性代數的方法迭代求解[4]，能夠形象地顯示出流場流線、流向、壓力等特征標量，而且可以反復加以計算和不斷優(yōu)化，將越來越受到重視。本文采用的數值計算方法，船舶在運動中受到空氣載荷，由于其流速相對較低，壓強變化相對較小，空氣載荷作為不可壓縮流體來考慮，其流動計算滿足流體質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

2 風載荷仿真計算

2.1 船舶概況

1100TEU集裝箱船為單甲板、設側推、艏樓、球鼻艏、柴油機驅動的艉機型支線型集裝箱船。其主尺度如表1所示。

表1 主尺度

2.2 模型的布置與建立

模型的建立主要考慮非滿載工況。滿載工況滿足裝載手冊對最大載箱量的要求，因此不將其考慮在內。不同的布置會產生不同的風載荷，并且過多的非滿載裝載布置不便于實船的操作。本文按4種比較典型的裝載布置進行計算分析。

1）布置1：集裝箱按艙蓋上箱腳位置均勻沿船長布置，均勻布置，見圖2 a)；

2）布置2：集裝箱按艙蓋上箱腳位置從艉向艏成階梯形布置，階梯布置，見圖2 b)；

3）布置3：集裝箱按艙蓋上箱腳位置從艏從艉分別向中間階梯形布置，凹形布置，見圖2 c)；

4）布置4：集裝箱按艙蓋上箱腳位置從中間向艏艉呈現階梯形布置，凸形布置，見圖2 d)。

圖2 計算模型的布置

另外，為簡化計算，節(jié)約計算資源，模型僅建水線以上部分。圖3為集裝箱船風阻力計算的簡化模型。

圖3 簡化的計算模型圖

2.3 不同裝載工況下的風載荷計算

不同的布置受到的風載荷影響是不同的，本文按以上4種布置作為計算工況，分別編制為工況1～工況4。不同的海域、季節(jié)、天氣，海況變化無常，在真實海況中航行的船舶，風向角會波動，風的大小也會時大時小，時長時短，為便于分析，本文中所指的風向角和風載荷相當于一定時間內的均值，計算時每種工況按風向角間隔 45°進行分析模擬，風向角 180°～360°按風向角0°～180°考慮。

2.3.1 風向角β=0°

風向角為0°時，海風從船首向船尾吹，4種不同布置的裝載工況流場壓力云圖如圖4所示，從計算結果分析，工況3所受到的風載荷最大，載荷阻力值達到38 025 N；其次是工況4，其載荷阻力為36 051 N。

2.3.2 風向角β=45°

風向角為45°時，風向與船體中心線成45°，海風由船首吹向船尾，4種不同裝載工況的集裝箱外流場壓力云圖如圖5所示。工況4搭載方式所受到的阻力最大，風阻力值為30 305 N。其次是工況1，其搭載布置所受風阻力值為25 520 N。

2.3.3 風向角β=90°

風向角為 90°，風載荷橫向吹向船舶，相當于船舶受到橫風作用，空氣繞船舶運動的外流場壓力云圖如圖6所示。根據計算工況2布置形式所受的風載荷由阻力轉為推力，最大值達到12 400 N。僅工況1所受阻力，其值為8 100 N。

圖4 β=0°時4種集裝箱布置工況流場壓力云圖

圖5 β=45°時4種集裝箱布置工況流場壓力云圖

圖6 β=90°時4種集裝箱布置工況流場壓力云圖

2.3.4 風向角β=135°

風向角為135°，風載荷從尾部吹向首部，與船體中心線的夾角為 135°，相當于順風航行狀態(tài)，4種不同集裝箱布置的計算工況外流場壓力云圖如圖7所示。工況2布置所受到風載荷推力值最大，風載荷為205 505 N，是較為經濟的布置形式。其次是工況2的布置，其所受風載荷的推力為186 650 N。

2.3.5β=180°

風向角為180°，風載荷由尾部吹向首部，順風狀態(tài)，其計算的集裝箱外流場壓力云圖如圖8所示。經計算工況4受到風載荷推力值最大，風載荷達到249 798 N，經濟性較好。工況3的集裝箱布置所受到的推力次之，船舶所受到風載荷的推力值為243 321 N。

圖7 β=135°時4種集裝箱布置工況流場壓力云圖

圖8 β=180°時4種集裝箱布置工況流場壓力云圖

3 集裝箱船舶風阻力特性分析

不同風向角和不同集裝箱布置工況的計算結果匯總，如表2所示。

表2 不同風向角4種搭載狀態(tài)下集裝箱模型所受風載荷（單位：N）

將表2的數據采用柱形圖表示（圖9），可以看到，船舶受到相同風載荷和風向角的作用下，不同的集裝箱布置，其所受到的風載荷大小是不同的。船舶在相同布置工況下，在不同風載荷和不同風向角作用下，其所受到的風載荷大小也是不同的。

圖9 4種集裝箱布置工況所受風載荷柱形圖

當風載荷為負值時，其壓力方向與船舶行駛方向相反，風載荷表現為逆風，對船舶航行產生阻力。當風載荷為正值時，其壓力方向與船舶前進方向相同，風載荷表現為順風，對船舶航行產生推力。同時由表2可知：

1）風向角β為0°、45°時，風載荷的合力為負值，對船舶產生阻力，且β=0°時，工況3所受阻力最大為38 025 N，工況4風載荷阻力值為36 051 N，工況1所受到的風載荷阻力最小，其值為25 520 N。所以，在0°和45°情況下，工況1的集裝箱布置形式最為經濟，工況2的阻力值略大于工況1的阻力值。在實際操作中，工況1布置較為困難時，工況2的布置也是優(yōu)選方案。

2）風向角β為90°時，船舶受到橫風作風，根據分析結果顯示，風載荷對船舶的合力，工況2為正值，推力值為12 400N，工況1為-8 100 N，對船舶產生阻力。因此工況2的集裝箱布置最優(yōu)，工況3和工況4的布置形式，空氣載荷的推力次之，為備選方案。

3）風向角β為135°、180°時，風載荷對集裝箱船處于順風狀態(tài)時，風載荷的合力為正值。工況4所受的風載荷最大，其推力載荷為249 798 N；當風向角β為135°時，工況2的推力載荷為205 504 N。因此，在實際航行中，工況2和工況4的集裝箱布置形式為優(yōu)選方案[5]。

4 結論

從以上分析看出，船舶受風載荷與集裝箱的布置有密切關系，并且其所受風載荷大小與繞流空氣場尾渦區(qū)域大小也相關，當尾渦區(qū)域相對較大時，船舶所受風載荷越大。在實際航行設計中，在滿足船舶穩(wěn)性、駕駛視線并保證船舶安全的前提下，采用流體數值計算方法可以有效地仿真風流場作用于船體的阻力和推力。根據航線及航速等因素，改變航向優(yōu)化風向角，優(yōu)化集裝箱布置，降低風阻力，減小油耗量。正確評估船舶在航行過程中的風載荷阻力，對船舶設計及營運船舶合理配載具有積極的參考價值。